Файл: Павлов, А. В. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей.pdf

емной теплоемкостью С, расходом тепла на протаивание qw* Первые два коэффициента зависят главным образом от состоя­

и др.). Расход тепла на протаивание определяется льдистостыо породы.

Теплофизические характеристики породы можно изменить путем регулирования влажности (осушение, увлажнение), снижения испарения и плотности (укатывание, рыхление).

Рыхление пород на большую глубину сопряжено со зна­ чительными техническими трудностями и экономическими за­ тратами. При разработке некоторых россыпей применялось рыхление поверхностного талого слоя (Основы геокриологии, ч. II, 1959), однако теплофизическая эффективность такого метода мало исследована. По данным П. Ф. Стафеева (1966), рыхление пород с влажностью 15—20%, осуществляемое на глубину 70—80 см на Ундинском прииске с 1962 г., увеличивает пористость на 20 —25 %. Это эквивалентно снижению коэф­ фициента теплопроводности на 25—35%.

Для учета влияния поверхностного слоя на тепловой режим пород существуют различные методы, в которых:

1)поверхностный слой заменяется некоторым эквивалент­ ным слоем с теми же теплофизическими свойствами, что и по­ рода (Гутман, 1952);

2)решается уравнение теплопроводности для двухслойной

среды (поверхностный слой — подстилающая порода) при по­ стоянных (Гутман, Дороганевская, 1956; Дюбук, Монин, 1950; Лаппо, 1957; и др.) или переменных (Чудновский, 1970; Нерпин и Чудновский; 1967) тепловых характеристиках.

Однако эти методы не могут дать хороших результатов для оценки разрыхленного слоя, так как в нем тепловые процессы зависят в значительной мере от воздухо- и водообмена. Раз­ уплотнение пород затрудняет сезонное промерзание оттаяв­ шего ранее слоя. По данным П. Ф. Стафеева (1966), глубина промерзания пород, залегающих под разрыхленным слоем, может быть вдвое меньше, чем на соседних участках без этого слоя. Однако если учесть, что и сам разрыхленный слой также промерзает, то снижение глубины промерзания составляет всего 5 —75 см. В летний сезон при разуплотнении поверхност­ ного слоя увеличивается поглощение лучистой энергии и умень­ шается расход тепла на испарение. Однако при этом снижается коэффициент теплопроводности, и в целом разрыхленный слой не способствует заметной интенсификации протаивания. Из­ менить интенсивность теплообмена в породах естественного залегания можно практически единственным способом, регу­ лируя их влажность.

Осушение пород путем открытого дренирования применяет­ ся при вскрышных работах на сильнольдистых мелкодисперс­

18

ных покровных отложениях, превращающихся при оттаивании в текучую массу. Дренирование уменьшает влажность талых

роду и глубины ее протаивания уже в первый летний сезон. В последующие же сезоны протаивание последовательно уве­ личивается, так как верхние слои промерзают малоувлажненными и оттаивают быстрее.

Испарение поровой влаги приводит к уменьшению протаи­ вания пород, так как ухудшается их теплопроводность и зна­ чительная доля поступившего тепла расходуется на фазовые превращения воды в пар. Снижения испарения можно достиг­ нуть, укладывая на поверхности теплопрозрачные пленки или увлажняя поверхностный слой гидрофобными веществами, которые ухудшают смачивание частиц и препятствуют подтя­ гиванию влаги к поверхности. При этом изменяются условия внешнего теплообмена (поглощение лучистой энергии, испа­ рение, конвективный теплообмен).

Увлажнение протаивающего слоя крупнодисперсных пород сопровождается появлением нового механизма теплопередачи — свободной конвекции. Если предотвратить испарение с по­ верхности, то путем увлажнения можно увеличить интенсив­ ность протаивания мерзлых крупнодисперсных отложений. Однако такие теплофизические возможности пока не изучены.

Следовательно, пределы управления внутренними процес­ сами теплообмена для интенсификации протаивания пород на россыпных месторождениях крайне ограничены и теорети­ чески мало исследованы. Наилучших результатов можно до­ стигнуть, применяя поверхностный дренаж, теплопоглощаю­ щие пленки и мульчирование. Однако увеличение протаивания обусловливается в большей мере изменением не внутренних условий теплообмена, а внешних (возрастание поглощения лучистой энергии, сокращение затрат тепла на конвективный теплообмен и испарение).

Тепло- и влагообмен пород с атмосферой, пределы и возмож­ ности их регулирования. Солнечная радиация — основной источник энергии, определяющий тепловой режим приземного слоя атмосферы и горных пород в слое годовых теплооборотов в естественных природных условиях.

Как показывают материалы актинометрических наблюдений (Барашкова и др., 1961), в пределах Якутии и Магаданской области приток тепла за летний сезон (май — сентябрь) со­ ставляет 55—75 ккал/см2. Этой энергии достаточно для протаи­ вания мерзлых пород при их льдистости 20% на глубину 23 — 32 м, при 30% на глубину 15—21 м и 50% на глубину 9 —13 м. Таким образом, в районах даже с самыми суровыми климати-

ческими условиями притока лучистой энергии вполне доста­ точно для глубокого протаивания россыпей. Однако надо учесть, что значительная доля энергии расходуется на отраже­ ние и излучение. Результирующая лучистого теплообмена у деятельной поверхности, называемая в гидрометеорологии радиационным балансом, определяется зависимостью

пород при льдистости 20% 4 —12 м, 30% 3 —8 м и 50% 2 —5 м. Однако в природных условиях глубина протаивания в несколь­

Гидрометеослужбы, позволили выявить региональные законо­ мерности и годовой ход радиационного баланса луговой расти­ тельности на территории СССР. В районах с многолетнемерз­

изучены менее детально. Так, в «Атласе теплового баланса» (1963) отсутствуют изолинии теплового потока в породы.

Остановимся на количественном отношении годовых вели­ чин составляющих теплового баланса по материалам тщатель­ ных наблюдений в Загорске (табл. 6). В таблице приняты сле­

ное излучение.

Естественная площадка (луг) расходует за год примерно равное количество энергии на отражение (32%), эффективное

20